1

Hardver

Struktura računarskog sistema

Svaki računarski sistem treba da obezbedi mogućnost učitavanja ulaznih podataka, njihovu obradu

(procesiranje) a zatim čuvanje i/ili prikazivanje rezultata na nekom spoljašnjem medijumu. S obzirom da

operacije obrade podataka mogu da budu složene neophodno je čuvati podatke koji predstavljaju

međurezultate obrade. Ovo predstavlja opšte funkcionisanje računarskog sistema pa samim tim možemo da

kažemo da računarski sistem mora da poseduje procesor (centralni) koji vrši obradu podataka, unutrašnju

memoriju u kojoj se čuvaju podaci koji su predmet obrade i odgovarajuće ulazno/izlazne uređaje pomoću

kojih se podaci učitavaju odnosno zapisuju ili prikazuju. Ovi osnovni uređaji moraju biti međusobno

povezani kako bi računarski sistem mogao da realizuje svoje osnovne operacije.

Fon Nojmanova mašina

Američki matematičar Džon fon Nojman je 1945. godine objavio nacrt izveštaja u kome je izložio ideju za

konstrukciju računara koji bi mogao da učita i čuva program sastavljen od niza konkretnih operacija i da ga

izvrši na korisnički zahtev. Džon fon Nojman je ovaj računar nazvao EDVAC (Electronic Descrete Variable

Automatic Computer). Iako njegova zamisao nikad nije prošla fazu nacrta, arhitektura računara koju je on

predložio dobila je po njemu naziv „Fon Nojmanova arhitektura“. Fon Nojmanova arhitektura je

predstavljala osnov za mnoge generacije računara koje su sledile. Osnovni principi Fon Nojmanove

arhitekture su [Mitic]:

...pošto je takav uređaj prvenstveno računar, on bi trebalo dosta često da izvodi osnovne aritmetičke

operacije. Te operacije su sabiranje, oduzimanje, množenje i deljenje. Stoga je razumljivo da treba

da sadrži specijalizovane organe koji obavljaju te operacije... To znači da je neophodno da postoji

centralni aritmetički (eng. central arithmetical) organ, CA računara.

Logičku kontrolu uređaja, tj redosled mogućih operacija mnogo efikasnije može da izvrši centralni

organ za upravljanje. Kako uređaj treba da bude prilagodljiv, tj. da bude za opštu namenu, mora da

postoji razlika između specifičnih instrukcija koje definišu problem i služe za njegovo rešavanje i

opštih, za upravljačke organe koji nadgledaju kako se izvode te specifične instrukcije... Pod

centralnim upravljanjem (eng. central control) CC podrazumeva se druga od prethodnih funkcija, a

organi koji je sprovode formiraju drugi speifičan deo računara.

Bilo koji uređaj koji izvodi dugačak i komplikovan niz operacija (posebno) izračunavanja mora da

ima odgovarajuću memoriju... Instrukcija kojom se rešava određena operacija može da sadrži i

odgovarajuće podatke... Ovi podaci moraju da se pamte ... U svakom slučaju ukupna memorija (eng.

memory) M čini treći deo računara.

Uređaj mora da podržava ulaz i izlaz podataka preko kontakta sa nekim specifičnim medijumom tog

tipa. Taj medijum se naziva medijum za spoljašnje snimanje (eng. recording) uređaja R...

Uređaj mora da ima organe za prenošenje podataka od R ka specifičnim delovima C i M. Ti organi

formiraju četvrti deo računara, nazvan ulaz (I). Pokazaće se da je najbolje vršiti transfere iz R preko I

u M, a ne direktno u C.

Uređaj mora da ima organe za prenošenje ... iz specifičnih delova C i M u R. Ti organi formiraju peti

specifični deo računara, izlaz, O. Videće se da je najbolje vršiti sve transfere iz M preko O u R, a

nikada direktno iz C...

Iz navedenog teksta se vidi da je fon Nojman projektovao arhitekturu računara po analogiji sa nervnim

sistemom čoveka. Većina današnjih računara je koncipirana na bazi fon Nojmanove mašine čija je opšta

struktura data na Slici 4.1.

2

Slika 4.1. Struktura IAS računara [Mitic]

Savremeni računarski sistemi

Arhitektura savremenih računarskih sistema se po mnogo čemu podudara sa arhitekturom fon Nojmanove

mašine. Savremeni računari takođe poseduju procesor, memoriju, spoljašnje uređaje (harddisk, monitor,

štampač, audio uređaj itd) i odgovarajuće uređaje, kontrolere, koji omogućavaju komunikaciju sa navedenim

spoljašnjim uređajima (Slika 4.2.).

Slika 4.2. Arhitektura savremenih računara

Razlika u odnosu na fon Nojmanovu arhitekturu je što spoljašnji uređaji mogu da komuniciraju i da

pristupaju memoriji direktno preko kontrolera memorije. Zbog činjenice da više uređaja može da pristupi

podacima u memoriji neophodno je postojanje kontrolera memorije koji vrši sinhronizaciju pristupa.

Princip rada računara

Svi digitalni računari funkcionišu po istom principu, obrađujući digitalizovane podatke. Digitalni podaci su

podaci koji su, kao što je to već rečeno, predstavljeni u binarnoj formi. Obrada podataka se vrši u delu

računara koji se zove procesor i koji se sastoji od velikog broja logičkih kola. Osnovu logičkih kola čini

elektronska komponenta koja se zove tranzistor. Današnji procesori sadrže milione tranzistora što ukazuje na

složenost operacija koje procesor može da realizuje. Operacije koje procesor treba da realizuje se definišu

instrukcijama i svode se na kreiranje izlaznih podataka na osnovu zadatih ulaznih podataka i definisane

instrukcije (npr. instrukcija sabiranja). Kreiranje izlaznih podataka po zadatoj instrukciji podrazumeva

promenu postojećih podataka i/ili dobijanje novih podataka koji su takođe u binarnoj formi. Proces kreiranja

USB jedinice

USB

Kontroler

3

izlaznih podataka se odvija u logičkim kolima koja u zavisnosti od svoje prirode realizuju neku od operacija

Bulove algebre. Osnovni Bulovi operatori su: I, ILI i NE. Kombinovanjem logičkih kola koja realizuju

navedene osnovne logičke operacije dobijaju se složeni logički sklopovi. Na slikama ispod prikazana su

logička kola koja realizuju osnovne Bulove operatore kao i tablice izlaza za odgovarajuće ulaze.

Slika 4.3.a. Logički element ILI

Tabela 4.1a.

Xu1 Xu2 Xi

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Slika 4.3.b. Logički element I

Tabela 4.1.b.

Xu1 Xu2 Xi

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Slika 4.3.c. Logički element NE

Tabela 4.1.c.

Xu1 Xi

0 1

1 0

4

Procesor

Kao što je već rečeno savremeni računari se u velikom delu baziraju na principima i arhitekturi fon

Nojmanove mašine. Na osnovu toga se jasno vidi da računar predstavlja skup komponenti čiji sinhronizovani

rad omogućava rad celokupnog računarskog sistema. Zbog toga je vrlo nezahvalno izdvojiti najvažniji deo

računara. Međutim, ako pođemo od osnovne funkcije računara a to je obrada (procesiranje) podataka

možemo reći da je procesor srce računarskog sistema.

Procesor, ili centralna procesorska jedinica CPU (central processing unit) je glavni izvršilac obrade podataka

ali i glavni organizator procesa obrade. Sastoji se iz dve jedinice:

1) upravljačko-kontrolne i

2) aritmetičko-logičke jedinice.

Upravljačko-kontrolna jedinica

Koncept upravljačko-kontrolne jedinice je usvojen iz nacrta fon Nojmanove mašine. Može se reći da je

osnovna uloga ovog dela procesora ostala nepromenjena, tako da možemo da kažemo da upravljačko-

kontrolna jedinica predstavlja glavnog supervizora svih procesa koji se odvijaju u delu obrade podataka.

Osnovne uloge ovog dela računara se mogu sistematizovati u četiri grupe:

1) Unos podataka i programskih instrukcija iz operativne memorije,

2) Upravljanje prenosom podataka između aritmetičko logičke jedinice i operativne memorije,

3) Praćenje izvršenja aritmetičkih i logičkih operacija i donošenje odluka na osnovu rezultata i

4) Upravljanje i praćenje rada ulazno-izlaznih jedinica.

Izvršavanje programskih instrukcija

Izvršavanje programa u računaru se svodi na prevođenje programa na niz instrukcija i njihovo izvršavanje na

procesoru. Zbog toga svaki računar poseduje standardne instrukcije čiji je postupak izvršenja procesoru

poznat. Generalno, instrukcije se dele na: aritmetičke, logičke, instrukcije za konverziju, instrukcije za

prenos podataka, ulazno/izlazne instrukcije, kontrolne instrukcije i instrukcije za prenos kontrole.

Struktura instrukcija je standardizovana kako bi procesor, odnosno upravljačka jedinica, bila u stanju da

prepozna i izvrši datu instrukciju. Na početku instrukcije po pravilu se nalazi operacioni kod, a za njim slede

operandi instrukcije tj. podaci koji učestvuju u operaciji definisanoj datom instrukcijom (Slika 4.4.).

Operacioni kod Operand 1 Operand 2

Slika 4.4. Prikaz opšte strukture instrukcije

Vrlo često su operandi instrukcije definisani preko svojih lokacija u operativnoj memoriji. Da bi bili u

mogućnosti da opišemo način realizacije ovako definisane instrukcije neophodno je da definišemo pojam

memorijske adrese i opišemo način memorisanja podataka u memoriji.

Memorijske adrese

Pojam memorije je prvi put upotrebio matematičar Čarls Bebidž u nacrtu svoje analitičke mašine. Pod tim

pojmom je podrazumevao deo mašine u kojoj je bilo moguće čuvati kako ulazne i izlazne podatke tako i

podatke koji predstavljaju međurezultat računanja. Taj koncept memorije je prisutan i danas samo što je,

naravno, njegova realizacija mnogo efikasnija, o čemu će biti reči u narednim poglavljima.

Memorija savremenih računara ima za cilj da čuva podatke koji su zapisani u binarnoj formi. Pri tome je

standardima utvrđeno koliko bitova memorije je na raspolaganju za upisivanje i čuvanje svakog tipa podatka.

Postavlja se pitanje na koji će način procesor pronaći i preuzeti podatke čiju obradu treba da realizuje.

5

Sasvim prirodno se nameće potreba da postoji informacija gde je u memoriji zapisan svaki podatak. Da bi to

bilo moguće neophodno je memoriju organizovati u celine (ćelije) i svakoj od tih celina pripisati broj koji se

popularno zove adresa. Na taj način procesor na osnovu adrese ćelije u kojoj je podatak zapisan može da

pristupi i da preuzme potreban podatak. Princip je potpuno analogan dostavljanju pošte na kućnu adresu. Da

bi odgovorno lice poštanske službe moglo da dostavi pošiljku osobi X.Y. neophodno je da zna njegovu

adresu stanovanja.

Ako memorija ima n ćelija onda će adresa svake ćelije biti neki broj u rasponu od 0 do n-1. Računari koji

koriste binarni brojni sistem za adresiranje (definisanje memorijskih adresa) izražavaju adrese u binarnom

obliku. To znači da ako adresa sadrži n bitova da je najveći mogući broj ćelija koje se mogu adresirati 2n. Na

primer, ukoliko je broj bitova za definisanje adrese 3, maksimalan broj adresa koje se mogu adresirati je

23=8, a ako je 8, onda je maksimalan broj adresa 2

8=256. Potpuno je očigledno da broj ćelija koje se mogu

adresirati ne zavisi od broja bitova po ćeliji.

Pojam ćelije je bitan zato što označava najmanju memorijsku jedinicu koja se može adresirati. Opšte

prihvaćenim međunarodnim standardom je utvrđeno da veličina ćelije iznosi 8 bitova i ona se naziva bajt

(eng. byte). Bajtovi se dalje grupišu u računarske reči (eng. words). Veličina reči, merena u broju bajtova

koji je čine, je bitna u pogledu procesorske obrade podataka zato što instrukcije procesora kao operande

koriste cele reči. Na osnovu veličine reči koja se obrađuje u procesoru, računari se dele na 32-bitne računare

(dužina reči je 32 bita, odnosno 4 bajta) i 64-bitne (dužina reči je 64 bita, odnosno 8 bajtova).

Postrojavanje bajtova

Memorisanje podataka predstavlja upisivanje binarnih zapisa podataka u reči u memoriji. Kako se kod 32-

bitnih računara reč sastoji od 4 bajta i kako je bajt najmanja adresibilna memorijska jedinica svaka reč je

sačinjena od 4 ćelije čije su adrese uzastopni brojevi (npr. 0,1,2,3 ili 4,5,6,7 itd). Međutim, postavlja se

pitanje kojim redom upisivati podatke u ćelije jedne reči. Ovo pitanje je u direktnoj vezi sa problemom

brojanja bajtova koji čine jednu reč.

Postoje dva načina brojanja bajtova. Prvi način podrazumeva da se bajtovi broje sleva na desno kako je to

kod računara SPARC ili u velikim centralnim IBM-ovim računarima (Slika 4.5.a.). Drugi način je brojanje

zdesna ulevo kao što je to slučaj kod računara proizvođača Intel (Slika 4.5.b.).

Slika 4.5. Postrojavanje bitova

Treba naglasiti da se ova dva načina brojanja bajtova ne razlikuju po izgledu binarnog zapisa podataka već

samo po tome u koji će od bajtova podaci biti zapisani. Tako je, na primer, u oba sistema, 32-bitni binarni

zapis celog broj 14 zapisan na sledeći način:

00000000|00000000|00000000|00001110

Međutim, u računarima prvog tipa, deo binarnog zapisa 00001110 će biti u bajtu sa adresom 3 (ili u bajtu sa

adresom 7 itd.) dok će kod računara drugog tipa ovaj deo binarnog zapisa broja 14 biti u bajtu sa adresom 0

(ili u bajtu sa adredom 4 itd.).

Problemi različitog brojanja bajtova dolaze do izražaja kada dva računara koji imaju različito brojanje

bajtova komuniciraju preko mreže. Tom prilikom se vrši prenos podataka bajt po bajt i prepisivanje njihovog

6

sadržaja u memoriju ciljnog računara. Očito je da tom priliko može doći do inverzije podataka usled

njihovog različitog adresiranja.

Postupak realizacije instrukcije

Kao što se vidi sa slike 4.4. standardizovana struktura instrukcije sadrži operacioni kod, adresu prvog

operanda u operativnoj memoriji i adresu drugog operanda u operativnoj memoriji. Broj operanada koji se

mogu definisati u instrukciji zavisi od tipa računara. Računari kod kojih je moguće definisati samo jedan

operand se nazivaju jednoadresni, računari kod kojih je u instrukciji moguće definisati dva operanda se

nazivaju dvoadresni i tako redom. Najbolje performanse imaju dvoadresni i troadresni računari. Na slici

ispod je prikazana instrukcija čiji će proces izvršenja biti analiziran u daljem tekstu.

A 2015 2020

Prikazana instrukcija ima operacioni kod A i označava instrukciju sabiranja dva broja. Adresa prvog

operanda (sabirka) u operativnoj memoriji je 2015 dok je adresa drugog operanda (sabirka) 2020. Na tim

adresama u memoriji se nalaze potrebni podaci zapisani u binarnoj formi. Očigledno je da je reč o

dvoadresnom računaru. Na slici 4.6. je izložen grafički prikaz realizacije navedene instrukcije.

Slika 4.6.. Grafički prikaz realizacije instrukcije sabiranja

Proces realizacije instrukcije se sastoji iz dve faze koje čine takozvani ciklus instrukcije (eng. instruction

cycle). Prva faza realizacije instrukcije se zove ciklus pripreme. Kao što je već rečeno svaki program se

sastoji od niza instrukcija. Svaka instrukcija je smeštena u operativnoj memoriji i ima svoju adresu. U

upravljačkoj jedinici postoji uređaj koji se zove brojač instrukcija (BI) i koji je zadužen da poziva na

izvršenje instrukcije jednu za drugom. Kada je u toku realizacija jedne instrukcije brojač instrukcije preuzme

adresu sledeće u operativnoj memoriji koja je na redu izvršenja i tako redom.

7

Faza pripreme počinje tako što se adresa tekuće instrukcije iz brojača instrukcija prenosi u adresni registar

memorije ARM2. Na osnovu adrese, upravljačka jedinica vrši prepisivanje instrukcije sa te adrese u

prihvatni registar memorije PRM2. Iz prihvatnog registra memorije PRM2 instrukcija se prepisuje u registar

instrukcija čime se završava ciklus pripreme.

Druga faza realizacije instrukcije se naziva ciklus izvršavanja i počinje procesom dekodiranja instrukcije

koja se trenutno nalazi u registru instrukcije. Dekoder instrukcije na osnovu koda instrukcije prepoznaje tip

instrukcije (operacije) koju treba izvršiti. U našem slučaju, kao što je to već rečeno, to je operacija sabiranja

dva broja u obliku (B=A+B). Kako su u instrukciji zapisane adrese operanada (sabiraka) neophodno je prvo

pročitati sadržaje tih adresa. Zbog toga dekoder šalje adrese prvog (2015) i drugog (2020) operanda

instrukcije u adresne registre ARM1 i ARM2, respektivno. Na osnovu tih adresa upravljačka jedinica čita

njihov sadržaj u operativnoj memoriji i prepisuje sadržaj adrese 2015 u prihvatni registar PRM1 a sadržaj

adrese 2020 u prihvatni registar PRM2. Navedena instrukcija izvršava sabiranje dva sabirka i dobijeni

rezultat upisuje na memorijsko mesto drugog sabirka. Zbog toga se sabirak iz prihvatnog registra PRM1

prepisuje u opšti registar (OR) dok se sabirak iz prihvatnog registra PRM2 prepisuje u tzv. akumulator.

Nakon toga brojni sabirač vrši sabiranje ova dva sabirka i rezultat upisuje u akumulator. Iz akumulatora se

rezultat prepisuje u prihvatni registar PRM2 a zatim se na osnovu poznate adrese drugog sabirka u

operativnoj memoriji vrši ažuriranje sadržaja te adrese dobijenim rezultatom.

Na osnovu izložene analize izvršavanja jedne procesorske instrukcije vidimo da u procesorskoj jedinici

postoji više različitih tipova registara:

Prihvatni registar memorije (PRM). Ovaj registar služi za prijem podataka iz operativne memorije i

za dalju distribuciju aritmetičko logičkoj jedinici.

Adresni registar memorije (ARM). Ovaj registar služi za upisivanje adrese podataka koji su predmet

obrade ili adrese instrukcije koja se izvršava.

Registar instrukcije (RI). Ovaj registar služi za upisivanje tekuće instrukcije.

Brojač instrukcije (BI). Ovaj registar čuva adresu sledeće instrukcije koju treba preneti iz operativne

memorije.

Aritmetičko logička jedinica

Aritmetičko-logička jedinica (ALU – Arithmetical Logical Unit) predstavlja drugi deo centralnog procesora.

Kao što sam i naziv govori osnovni zadatak ovog dela procesora je izvršavanje osnovnih aritmetičkih i

logičkih operacija. Pod aritmetičkim operacijama podrazumevamo operacije sabiranja, oduzimanja,

množenja, deljenja, diferenciranja i integraljenja. Logičke operacije se svode na operacije poređenja tipa

„manje od“, „jednako“ i „veće od“. Treba napomenuti da se sve aritmetičke operacije svode na operaciju

sabiranja pa je stoga glavni deo procesora zadužen za aritmetičke operacije ujedno i jedini deo i naziva se

jedostavno sabirač. Drugi deo procesora koji je zadužen za pomenute operacije poređenja se zove

upoređivač. I sabirač i upoređivač su realizovani kombinovanjem logičkih kola o kojima je bilo reči ranije.

Funkcionisanje aritmetičko-logičke jedinice je dirigovano i kontrolisano od strane upravljačke jedinice. Po

pravilu podaci (operandi) koji su predmet obrade se preko odgovarajućih prihvatnih registara prenose iz

operativne memorije i upisuju u opšti registar i akumulator (Slika 4.7.).

8

Slika 4.7. Aritmetičko-logička jedinica

Po okončanju procesa obrade rezultat se upisuje u akumulator, a zatim se ili koristi za sledeću operaciju ili

distribuira na odgovarajuću adresu u operativnoj memoriji.

Časovnik i magistrala

Brzina izvršenja instrukcija je određena brzinom časovnika koji je obično smešten na samom procesoru. Kad

se računar uključi, električna struja prouzrokuje ravnomerno okidanje elektronskih impulsa konstantnog

nivoa od strane časovnika. Pomoću ovih impulsa računar vrši sinhronizaciju izvršenja instrukcija. Prema

tome, u računaru časovnik ima istu ulogu kao kormilar u veslanju. Brzina časovnika se meri u megahercima

(MHz), pri čemu 1 MHz označava milion taktova u sekundi.

Za izvršenje jedne instrukcije potrebno je 5 taktova: jedan takt da se instrukcija iz operativne memorije učita

u registar instrukcija, jedan takt da se izvrši njeno dekodiranje, jedan takt da se učitaju podaci (operandi) iz

memorije, jedan takt da se instrukcija izvrši i jedan takt da se izvrši upisivanje rezultata. To znači da

savremeni računari sa brzinom časovnika od 3GHz mogu da realizuju 600 miliona instrukcija u sekundi.

Prenos podataka između operativne memorije i CPU, ulaznih uređaja i operativne memorije kao i između

operativne memorije i ekranskih uređaja se vrši posredstvom magistrale. Magistrala (eng. bus) je staza ili

veza kojom se u taktu procesorskog časovnika prenose električni impulsi tj. bitovi.

Najznačajnija karakteristika magistrale je tzv. širina magistrale koja označava broj bitova koji se u jednom

trenutku mogu preneti. Tako 64-bitna magistrala u jednom trenutku može da transferiše podatak veličine 64

bita. Očigledno je da je širina magistrale direktno povezana sa veličinom procesorske reči tj. sa veličinom

registara u procesorskoj jedinici.

9

Memorija

”Memorija je svaki uređaj koji je u stanju da podatke sačuva u formatu koji neka mašina može da prepozna”

James A. Sean

Pored procesora, memorija je najvažnija komponenta jednog računarskog sistema. Koristi se i za skladištenje

podataka i za skladištenje instrukcija datih nizovima nula i jedinica u formi koja direktno zavisi od fizičkog

tipa njene izrade.

Karakteristike memorije

Postoji čitav niz atributa kojima se memorije mogu opisati:

stalnost zapisa – trajne (koje čuvaju sadržaj sve dok se ne inicira promena sadržaja od strane

korisnika) i privremene (čiji se sadržaj gubi nakon nestanka električnog napajanja),

fizički tip – poluprovodničke (integrisana kola velikog broja tranzistora utisnutih na silicijumski čip),

magnetske (površine premazane feromagnetnim materijalom) i optičke (polikarbonatne mase

presvučene slojem reflektujućeg aluminijuma),

Slika 4.8. Različite poluprovodničke memorije

kapacitet – maksimalna količina podataka merena u bitovima ili bajtovima koju može sadržati

memorija,

jedinica prenosa – može biti bajt (u slučaju unutrašnje memorije) ili blok (nekoliko KB ili MB, u

slučaju spoljašnje memorije),

adresivost – adresive (pomoću adrese se pristupa jednom bajtu ili reči), poluadresive (gde se

pristupa grupi bajtova) i neadresive (gde je onemogućen pristup sadržaju memorije pomoću adrese),

10

0 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 22 2324 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 3940 41 42 43 44 45 46 4748 49 50 51 52 53 54 5556 57 58 59 60 61 62 63

11

1

1

00

00

na lokaciji sa adresom 16 upisan je niz 11010010

svak lokacija sadra ži 8 bitova

Slika 4.9. Prikaz organizacije adresive memorije

cena – ovaj atribut se češće posmatra kroz odnos cena/kapacitet koji ilustruje cenu koštanja

memorije po jedinici kapaciteta, bitu ili bajtu, nego kao apsolutni iznos,

načini pristupa – postoje četiri moguća načina pristupa podacima u memoriji:

o sekvencijalni - podaci organizovani u grupe (slogove) i upisuju se u redosledu unošenja. Da

bi se pročitao potreban podatak neophodno je pročitati sve podatke koji mu prethode zbog

čega je vreme pretrage vrlo veliko i zavisi od njegove lokacije na medijumu. Primer su

magnetne trake koja je identična audio ili video kaseti,

o direktan - do željenog podatka ( ili sloga) se dolazi direktno preko njegove adrese u

memoriji. Adresa na kojoj je zapisan podatak je u direktnoj vezi sa njegovom fizičkom

lokacijom. Da bi se izvršilo čitanje željenog podatka potrebno je pozicionirati uređaj za

čitanje na njegovu adresu. Zbog toga vreme pristupa podacima zavisi od njihove lokacije na

memorijskom medijumu. Primer su hard diskovi, i

o asocijativni – podacima se pristupa ne na osnovu adrese nego na osnovu njihovog sadržaja.

Primer je keš memorija,

vreme pristupa – je atribut koji predstavlja izuzetno mali vremenski interval (reda veličina od mili

do piko sekunde) koji započinje činom iniciranja komunikacije sa memorijom, a završava se

pronalaženjem podatka u okviru memorijske lokacije,

vreme memorijskog ciklusa – je atribut koji predstavlja zbir vremena pristupa i dodatnog vremena

potrebnog za ponovni pristup memoriji,

brzina prenosa – je atribut koji se definiše kao količina podataka koji se mogu pročitati ili upisati u

memoriju u jedinici vremena,

mogućnost promene sadržaja – Read Only ili ”samo za čitanje” (memorije čiji se sadržaj ne može

naknadno menjati) i Read-Write ili ”upisno-čitajuće” (sa mogućnošću naknadne promene sadržaja).

Važniji atributi sa konkretnim vrednostima dati su u tabeli 4.4.

Tabela 4.4. Karakteristike računarskih memorija

vrsta memorije kapacitet jedinica

prenosa

prosečno

vreme

pristupa

brzina

prenosa

ko upravlja

prenosom

podataka

fizički

tip

registri CPU-a 256B-1kB Reč obima 2B ili

4B 200ps-1ns 0,5-60GB/s

upravljačka

jednica CPU-a

CMOS

SRAM

L1 keš meмorija 16-64kB Linija 4-32B 5-10ns 0,8-1GB/s primarni keš

kontroler

CMOS

SRAM

L2 keš meмorija 128kB-1GB Linija 4-128B 15-40ns 0,1-0,3GB/s sekundarni keš

kontroler

CMOS

SRAM

glavna (RAM) 256MB-1GB Stranice 4kB 50-100ns 20-80MB/s jedinica za CMOS

11

memorija upravljanje memorijom

(MMU)

DRAM

slotovi proširenja

glavne memorije 1-10GB Stranice 4kB 75-500ns 800kB-30MB/s

jedinica za

upravljanje memorijom

(MMU)

CMOS

DRAM

hard disk keš 1-10MB Blokovi 4kB 60-500ns 900kB-30MB/s kontroler

uređaja

CMOS

DRAM

hard disk 100-500GB Fajlovi obima

MB 5-50ms 1200-6000kB/s

kontroler

uređaja

magnetni

medijum

disketa 1,44MB Fajlovi obima

MB 95ms 100-200kB/s

kontroler

uređaja

magnetni

medijum

CD-ROM 600MB-20GB Fajlovi obima

MB 100-500ms 500-4000kB/s

kontroler

uređaja

optički

zapis

magnetna traka 1-10TB Fajlovi obima

MB 0,5s pa nаviše 2000kB/s

kontroler

uređaja

magnetni

medijum

U zavisnosti od gore navedenih atributa, postoji više načina podela memorija. Različite vrste memorija se

mogu kategorizovati po bilo kojoj od pobrojanih karakteristika, kao i kombinovanjem više različitih

karakteristika. Kombinacija atributa vreme pristupa-cena-kapacitet se najčešće analizira.

Na osnovu lokacije memorije u odnosu na položaj procesora, memorije mogu biti u kategoriji unutrašnjih,

smeštenih unutar samog procesora ili u njegovoj neposrednoj blizini sa kojim čine centralnu procesorsku

jedinicu (CPU – Central Processing Unit) i spoljašnjih, koje su locirane dalje od procesora i koje pripadaju

kategoriji perifernih uređaja, hardverskih komponenti koje se nalaze u okruženju CPU.

Unutrašnja memorija

Unutrašnja memorija je lokacijski najbliža samom procesoru što ima za posledicu da se sva komunikacija

ostalih hardverskih komponenti sa procesorom obavlja upravo preko nje. Postoji više vrsta ove memorije:

registri,

keš (Cash),

RAM i

ROM.

Registri

Registri predstavljaju memoriju velike brzine i malog kapaciteta koja služi za skladištenje upravljačkih

instrukcija i privremenih rezultata obrade unutar samog procesora (slika 4.10.). Svaki registar ima određenu

ulogu unutar procesora i uobičajeno je da su svi registri iste veličine (primer 64-bitne arhitekture gde su svi

registri kapaciteta 64-bita).

12

Slika 4.10. Položaj registara u okviru 32-bitne i 64-bitne arhitekture procesora

Registri mogu biti opšti (akumulatori) i specijalizovani (instrukcioni, memorijskih adresa, prihvatni,

kontrolni, brojač instrukcija). Najvažniji registar je brojač instrukcija ili programski brojač (PC – Program

Counter) čiji je zadatak ukazivanje na instrukciju koja se u datom trenutku preuzima od strane procesora na

obradu. Osim njega, veoma je važan i registar instrukcija (IR – Instruction Register) koji čuva instrukciju

koja se trenutno obrađuje.

Na slici 4.10. se lako može uočiti razlika između realizacije registara unutar 32-bitne i 64-bitne arhitekture

procesora. Dvostruko povećanje kapaciteta registara doprinosi bržoj obradi podataka i instrukcija, što ima za

posledicu i brži rad računara.

Keš memorija

Keš memorija je interna memorija procesora i nekih drugih perifernih uređaja (npr. hard diskova) koja

premošćava veliku razliku u brzini prenosa podataka između spregnutnih komponenti. U slučaju procesora

keš memorija je nastala iz potrebe da se ubrza prenos podataka između procesora i glavne (RAM) memorije.

Naziv keš (engl. cache, od francuskog cacher) što znači tajno skladište, označava da je ova vrsta memorije

sakrivena od programera, tj. da programer ne može da joj pristupi.

Izrada procesora na malom, kompaktnom čipu direktno je uslovila i mali kapacitet keš memorije u srazmeri

sa malim dimenzijama izrade. Inicijalno je zamišljena kao interna memorija procesora, dok se danas u

modernijoj varijanti izrađuje iz više delova (2 ili 3), gde osim primarnog keša (L1) lociranog unutar

procesora, postoji i sekundarni keš (L2) van procesora, ali u istom paketu sa procesorom. Eventualno može

postojati i tercijarni keš (L3) koji je smešten gde i L2 ili na matičnoj ploči blizu samog procesora. Po brzini

prenosa podataka i instrukcija prednjači primarni keš jer u komunikaciji sa procesorom koristi internu,

procesorsku magistralu, dok se komunikacija sa sekundarnim i tercijarnim kešom odvija preko magistrala

van procesora što dovodi do pada brzina transfera podataka. Kapaciteti se odnose obrnuto proporcijalno

brzinama prenosa podataka – L1 je najmanjeg, a L3 najvećeg kapaciteta.

Keš memorija skladišti najčešće korišćene memorijske reči. U potrazi za rečima procesor joj se obraća i u

slučaju da ne pronađe potrebnu reč, nastavlja pretragu u glavnoj (RAM) memoriji. U takvoj situaciji se

vreme pretrage produžava i dolazi do usporavanja rada računara. Međutim, kada se pronađe reč u glavnoj

memoriji dolazi do prebacivanja u keš memoriju ne samo te reči, već i svih susednih reči, u zavisnosti od

kapaciteta keša. Ovakav pristup se sprovodi zbog velike verovatnoće da će se u kratkom vremenskom

intervalu u budućnosti pristupati i tim susednim rečima koje će tada biti brže dostupne procesoru. Čitava

prethodno objašnjena procedura je poznata kao princip lokalnosti. Na ovom principu funkcionišu sve vrste

keš memorija.

13

RAM

Treći i najvažniji nivo unutrašnje memorije računara je glavna, operativna, radna memorija ili memorija sa

slučajnim pristupom (RAM - Random Access Memory). Preko RAM memorije procesor komunicira sa

ostalim uređajima računara (spoljašnjom memorijom, U/I uređajima itd.). Termin radna memorija potiče od

činjenice da se programi u obliku izvršnog koda (niza instrukcija prevedenih na mašinski jezik) smeštaju u

RAM odakle ih poziva i izvršava procesorska jedinica. Zbog toga brzina rada računara (brzina izvršavanja

programa) ne zavisi samo od brzine procesora već i od brzine preuzimanja podataka iz glavne memorije. Kao

što će se videti kasnije na brzinu rada računara utiče i veličina radne memorije.

Tokom rada računara sadržaj radne memorije se stalno menja, a nakon gašenja računara sadržaj se prazni. Od

njenog kapaciteta direktno zavisi brzina rada računara. Uobičajeno je da se sastoji od pet delova i to su

delovi za operativni sistem, programe, ulaze, izlaze i radni deo.

Slika 4.11. Prikaz magistrale podataka

Glavna memorija je priključena na procesor preko njenih magistrala za adrese i podatke (slika 4.11.). Širina

adresne magistrale određuje kolikom broju različitih memorijskih lokacija se može pristupiti, a širina

magistrale za podatake - koliko je informacija smešteno u svakoj od lokacija.

Postoje dve vrste RAM memorije: statička (SRAM) i dinamička (DRAM). Statička RAM memorija spada u

rang veoma brzih memorija sa vremenom pristupa reda veličine nanosekunde i koristi se kao osnova za

izradu registara i keš memorija. Dinamička RAM memorija je većeg kapaciteta i manje brzine prenosa

podataka od statičke RAM memorije i koristi se kao osnova za izradu glavne memorije.

DRAM - dinamički RAM

DRAM čipovi su velike, pravougaone matrice memorijskih ćelija, sa logikom za podršku koja se koristi za

čitanje i upisivanje podataka u matrice i sa sklopom za osvežavanje da bi se održao integritet smeštenih

podataka (analogno probušenoj kanti za vodu koja se stalno mora dopunjavati da bi se održao nivo vode u

njoj). Memorijske matrice se sastoje od redova koji se zovu linije reči i kolona koje se zovu linije bitova.

Svaka memorijska ćelija (bajt) ima jedinstvenu lokaciju ili adresu, definisanu presekom reda i kolone.

DRAM memorija se deli na asinhronu i sinhronu. Kod asinhrone DRAM memorije ne postoji usaglašenost

između rada procesora i rada same memorije. Za izvršavanje procesa čitanja ili pisanja podataka u asinhronoj

DRAM memoriji je potrebno izvesno vreme koje je određeno fizičkim karakteristikama same memorije.

Vrlo često to vreme ne predstavlja celobrojni umnožak vremena jednog takta časovnika po kome radi

procesor. Zbog toga se dešava da procesor često mora da sačeka sledeći takt kako bi preuzeo podatke koje je

tražio od asinhrone DRAM memorije. Očigledno je da takav način rada usporava procesor. U cilju

prevazilaženja opisanog problema nastala je sinhrona DRAM memorija. Sinhrona DRAM memorija radi,

kao i procesor, u skladu sa taktovima časovnika računara. Ukoliko je za dobijanje potrebnih podataka

potrebno više taktova procesor ne čeka već izvršava druge instrukcije. Kada memorija pronađe tražene

podatke ona ih smesti u specijalizovane izlazne memorijske ćelije i obavesti procesor da je završila traženu

operaciju. Procesor tada preuzima potrebne podatke i nastavlja prekinutu obradu čime se izbegava pojava

„praznog hoda“. Zbog toga se brzina sinhronih DRAM memorija meri u MHz-ima za razliku od asinhronih

čija se brzina meri u nanosekundama. Akronim za sinhronu DRAM memoriju je SDRAM.

14

SDRAM sa dvostrukom brzinom podataka (Double Data Rate SDRAM – DDR SDRAM) funkcioniše na

potpunom drugačijem principu od sinhrone DRAM memorije. Da bi se sinhronizovali logički uređaji,

prenosi podataka treba da se pojave na ivici signala generatora takta. Kako impuls generatora takta osciluje

izmedju 1 i 0 (slika 4.12.), podaci bi izlazili ili na prednjoj ivici (kada se impuls menja od 0 na 1) ili na

zadnjoj ivici (kada se impuls menja od 1 na 0). DDR SDRAM radi tako što dozvoljava aktiviranje izlaznih

operacija i na prednjoj i na zadnjoj ivici, dajući tako efektivno udvostručenje učestanosti generatora takta bez

povećanja njegove stvarne učestanosti.

Slika 4.12. Signal generatora takta

Od nastanka 2000. godine do danas pojavile su se tri generacije DDR čipova karakteristika datih u tabeli 5.2.

Tabela 4.5. Karakteristike DDR SDRAM memorije

DDR SDRAM standard frekvencija (MHz) napon (V)

DDR (2000.) 100–200 2,5–2,6

DDR2 (2004.) 200–533 1,8

DDR3 (2007.) 400–800 1,5

ROM

ROM (Read Only Memory) je memorija koja jedino omogućava čitanje prethodno fabrički upisanih

podataka. Kada se jednom programira njen sadržaj se ne menja i ne gubi čak i kada se isključi napajanje.

Koristi se za čuvanje BIOS-a kao i programa za funkcionisanje uređaja (npr. veš mašina). BIOS (Basic Input

Output System) je skup računarskih programa ugrađenih u čip na matičnoj ploči. Nakon uključivanja

računara BIOS vrši prepoznavanje i proveru funkcionalnosti svih hardverskih komponenti u konfiguraciji, a

odmah nakon toga pronalazi i učitava operativni sistem u RAM memoriju.

Kako nakon izrade promene sadržaja više nisu moguće, ROM memorije su vrlo skupe i koriste se samo u

masovnoj proizvodnji. Obično sadrže program koji omogućava upis operativnog sistema u RAM memoriju

po uključivanju računara. Po veličini ROM je dosta manji od RAM-a i nije raspoloživ korisniku, već samo

sistemu. Prikaz veličine ROM memorije se obično ne navodi u specifikaciji.

Inicijalno zamišljena samo kao memorija za čitanje, vremenom je evoluirala i pretvorila se memoriju u koju

je moguće i upisivati podatke. Sledi istorijski prikaz razvoja ROM memorija.

PROM (Programmable Read Only Memory) je nastala 1956. godine kao memorija koja se samo jednom

može programirati, ali ne tokom tehnološkog postupka izrade u fabrici, već na adresi kupca pomoću

specijalnog uređaja, ”punioca”, koji koristi visoki napon. Zadatak punioca je da trajno uništi ili kreira veze

unutar čipa čime se vrši kodiranje informacija, tj. upis sadržaja. Jednom upisani sadržaj se ne može nakon

toga više menjati niti brisati.

15

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) se pojavila prvi put 1971. godine kao trajna

memorija koja se može više puta puniti i brisati. Punjenje se vrši u za tu svrhu specijalno napravljenim

uređajima, a brisanje pomoću izlaganja ultraljubičastom ili rendgenskom zračenju.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) je nastala 1983. godine, a dodati

prefiks ”električno” je označio novu mogućnost brisanja sadržaja bez ikakvih specijalnih uređaja

dovođenjem električnih impulsa. Osim tog noviteta, omogućeno je i brisanje delova sadržaja na nivou bajta,

što znači samo jednog dela sadržaja čipa, a ne celog čipa kao kod EPROM-a. Nedostatak ove memorije je

mnogo manji kapacitet nego kod EPROM-a.

Slika 4.13. Intel 1702 – prva EPROM memorija

Najnovija verzija EEPROM-a je fleš memorija. Iako fleš memorija spada u poluprovodničke memorije po

fizičkom tipu, ona će biti objašnjena u narednom poglavlju gde se opisuju spoljašnje memorije s obzirom da

pripada toj kategoriji memorija.

Najvažnije karakteristike svih poluprovodničkih memorija date su u tabeli 5.3.

Tabela 4.6. Karakteristike poluprovodničkih memorija

Vrsta memorije Mogućnost

promene sadržaja Stalnost zapisa Upisivanje

Brisanje/

jedinica prenosa Namena

SRAM Memorija za čitanje

i upisivanje Privremena Električno

Električno/

nivo bajta

Keš drugog

nivoa

DRAM Memorija za čitanje

i upisivanje Privremena Električno

Električno/

nivo bajta

Glavna

memorija

SDRAM Memorija za čitanje

i upisivanje Privremena Električno

Električno/

nivo bajta

Glavna

memorija

ROM Memorija samo za

čitanje Trajna

Utiskivanje u

silicijum Nije moguće

Kućni aparati

(velike serije)

PROM Memorija samo za

čitanje Trajna Električno Nije moguće

Oprema

(male serije)

EPROM Memorija uglavnom

za čitanje Trajna Električno

UV zrak/

nivo čipa

Prototipovi

uređaja

EEPROM Memorija uglavnom

za čitanje Trajna Električno

Električno/

nivo bajta

Prototipovi

uređaja

FLASH memorija

Memorija za čitanje

i upisivanje Trajna Električno

Električno/

nivo bloka

Spoljašnja

memorija

16

Spoljašnja memorija

Spoljašnju memoriju čine svi memorijski uređaji koji se nalaze van centralne procesorske jedinice i matične

ploče na periferiji računarskog sistema. Glavne karakteristike spoljašnje memorije su (vidi tabelu 4.4.)

trajnost čuvanja zapisa, većina su magnetskog ili optičkog tipa, velikog su kapaciteta, jedinica prenosa

podataka je blok, adresive su, odnos cena/kapacitet je niži, a vreme pristupa veće nego kod unutrašnjih

memorija. Postoji više vrsta spoljašnjih memorija, od kojih će ovde biti obrađene sledeće:

disketa,

hard disk,

kompakt disk (CD),

DVD,

Blue Ray disk,

magnetna traka,

fleš memorija i

memorijske kartice.

Disketa

Disketa je tanka, poliesterska kružna ploča premazana feromagnetnim materijalom sa obe strane koja je

upakovana u zaštitno četvrtasto kućište od tvrde plastike na kome je metalni klizač. Prečnik kružne ploče

iznosi 3,5 inča. Naziva se i ”floppy” (savitljiv) disk ili samo disketa. Prva koja se pojavila bila je proizvedena

od strane IBM-a 1971. godine i bila je kapaciteta 80 KB i dimenzija 8 inča. Kasnije se pojavio veliki broj

različitih modela od kojih 3,5 inčna kapaciteta 1,44 MB 1987. godine koja se i najduže koristila.

Pre upotrebe disketu je potrebno formatirati. Ova procedura podrazumeva pripremu diskete formiranjem

adresibilnih blokova kapaciteta 512 B koji odgovaraju sektorima na kružnim stazama (prstenovima). S

obzirom da postoji 40 takvih staza i 36 kružnih isečaka i da je moguće podatke upisivati sa obe strane kružne

ploče, postoji ukupno 2880 blokova kapaciteta 512 B što daje ukupni kapacitet od 1,44 MB (slika 4.14.).

Nominalno, kapacitet neformatirane diskete je 2 MB, a razlika se javlja zbog postojanja međusektorskih

procepa i procepa između staza u koje nije moguće upisivati podatke.

Upis i čitanje podataka se odvija preko glave za čitanje/upisivanje koja klizi po površini diskete. To je razlog

ubrzanog habanja disketa koje su inače veoma nepouzdane, pa se isti sadržaj skoro uvek snima na dve

diskete. Dodatni način zaštite od habanja je i izbegavanja direktnog otvaranja fajlova sa diskete, već disketu

treba koristiti samo kao prenosni medijum.

Savremeni računari više nemaju disketu kao standardni deo konfiguracije. Razlog za to je u današnje vreme

njihov veoma mali kapacitet, nepouzdanost i pojava brzih fleš memorija velikog kapaciteta.

17

Slika 4.14. Način rada diskete

Hard disk

Hard disk predstavlja osnovni medijum za skladištenje podataka svakog personalnog računara. Sastoji se od

više tankih aluminijumskih ploča premazanih feromagnetnim materijalom i zaštitnim slojem sa obe strane

ploče. Feromagnetni materijal je glavni nosilac podataka i služi za memorisanje podataka. Prečnik ovih ploča

se kreće od 3 do 12 cm. Diskovi (ploče) su naslagani na istu osovinu koju pogoni motor koji se naziva

aktuator (slika 4.15.). Upis i čitanje podataka se ostvaruje preko glave za čitanje/upis podataka u obliku

indukcionog kalema koja klizi u radijalnom pravcu iznad površine ploče. S obzirom da postoji više ploča,

postoji i više glava za čitanje/upis (po dve za svaku ploču, osim prve i poslednje ploče gde postoji po jedna

glava) koje se istovremeno pomeraju bez obzira kojoj se od ploča pristupa.

Slika 4.15. Izgled unutrašnjosti hard diska

Čitanje odnosno pisanje podataka na hard disku se realizuje tako što se glava za čitanje/pisanje pozicionira

iznad ploče sa koje treba da izvrši čitanje/pisanje a motor vrši okretanje osovine na koju su naslagani diskovi

(ploče). Kako je glava za čitanje/pisanje relativno mali uređaj ona može da pokrije samo malu površinu ploče

iznad koje se nalazi. Zbog toga se podaci zapisuju po tačno određenim koncentričnim krugovima koji se

nazivaju staze. Širina svake staze je reda veličine mikrometra, pa s obzirom na dimenzije ploče hard diska,

broj staza je izuzetno veliki. Svaka staza je podeljena na segmente koji se nazivaju sektori. Svaki sektor

sadrži određenu količinu podataka, najčešće 512 bajtova i predstavlja najmanju fizičku celinu kojoj se može

18

pristupiti. Očigledno je da veličina (dužina) staze zavisi od poluprečnika na kojem se nalazi. Prethodne

generacije diskova su imale isti broj sektora na svakoj stazi zbog čega su sektori na spoljašnjim stazama bili

„razvučeniji“ u odnosu na sektore na unutrašnjim stazama (slika 4.16.). Hard diskovi novije generacije imaju

različit broj sektora na različitim stazama pa je uobičajeno da spoljašnje zone imaju i do 40% više sektora

nego unutrašnje. Na početku svakog sektora se nalazi zaglavlje (header) u koje se obično upisuje broj

sektora i koje omogućava pozicioniranje glave pre čitanja ili upisa, a na kraju bloka je kod za ispravljanje

grešaka (error-correcting code). Noviji hard diskovi imaju i internu keš memoriju (oko 32 MB) i kontroler

(interni procesor) koji upravlja njegovim radom.

Slika 4.16. Sadržaj bloka na ploči hard diska

Kako su podaci organizovani po sektorima na stazama neophodno je da svaka staza i svaki sektor ima svoju

numeraciju. Numerisanje vrši disk kontroler. Proces upisivanja staza i sektora se naziva formatiranje.

Hard diskovi spadaju u memoriju sa direktnim pristupom što znači da se podacima pristupa direktno na

osnovu njihove adrese. Adresiranje savremenih diskova se sastoji u sledećem. Staze na istom poluprečniku

svih naslaganih diskova čine jedan „fiktivni“ cilindar. Očito je broj cilindara jednak broju staza. Pojam

cilindra je uveden zato što su prilikom čitanja/pisanja sve glave pozicionirane iznad staza istog poluprečnika

pa je zbog toga efikasnije upisivanje podataka u sve staze istog cilindra a zatim u sve staze sledećeg i tako

redom. Sektor 0 je prvi sektor na prvoj stazi cilindra sa najvećim poluprečnikom. Numerisanje se nastavlja u

okviru ove staze pa zatim se prelazi na sledeću stazu u okviru istog cilindra i tako sve do poslednje staze.

Kada se izvrši numerisanje sektora na svim stazama jednog cilindra prelazi se na prvi sledeći manjeg

poluprečnika.

Kada je reč o prenosivim uređajima, ulogu hard diskova imaju SSD diskovi (Solid State Drive) koji su tipa

SRAM ili DRAM memorije velikog kapaciteta i brzine. Njihova velika prednost je da su višestruko brži od

hard diskova i da smanjuju potrošnju električne energije što je veoma bitno kod prenosivih računara.

Kompakt disk (CD)

Kompakt diskovi (Compact Disk) su prvobitno bili namenjeni snimanju muzičkih sadržaja. Pojavili su se

1980. godine kao medij koji je u budućnosti trebao da zameni gramofonske ploče. Spadaju u tip optičkih

medija zato što je funkcionisanje zasnovano na emitovanju laserskih zraka ka površini diska i njihovoj

refleksiji od iste. U zavisnosti od konstrukcije ovi diskovi mogu biti samo čitajući CD-ROM, jednom

pisajući CD-R i više puta pisajući CD-RW (slika 4.17).

19

Slika 4.17. Poprečni presek kompakt diskova

CD-ROM

CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) su diskovi kod kojih se podaci mogu upisati samo jednom

(najčešće fabrički) tako da korisnik može samo da čita njihov sadržaj. Kao i kod magnetnih diskova i kod

optičkih diskova se podaci upisuju po stazama. Razlika je u tome što kod optičkih diskova ne postoji više

koncentričnih staza već samo jedna spiralna staza.

CR-ROM diskovi se sastoje iz tri sloja: polikarbonatnog stakla, tankog sloja aluminijuma i zaštitnog laka

koji štiti disk od oštećenja. Zapisivanje podataka se vrši tako što disk rotira a specijalni uređaj (pisač) duž

spiralne staze pravi mikroskopska udubljenja na polikarbonatnom staklu. Nakon toga se na polikarbonatno

staklo nanosi tanak sloj reflektujućeg aluminijuma koji popunjava napravljena udubljenja i preko njega sloj

zaštitnog laka. Prilikom čitanja podataka sa diska čitač emituje laserske zrake koji se reflektuju od površine

diska. Kada se laserski zrak emituje na mesto gde je udubljenje (gde je deblji sloj aluminijuma) refleksija je

izraženija i obrnuto. Odbijeni snop laserskog zraka upija fotodetektor i generiše električni impuls. Očito kada

se zrak usmeri ka mestu udubljenja fotodetektor će generisati električni impuls i obrnuto. To znači da je

udubljenje nosilac digitalnog podatka 1 a ispupčenje digitalnog podatka 0.

Slika 4.18. Spiralni žleb na kompakt disku

Najčešći kapaciteti su 650MB ili 700MB što odgovara dužini trajanja nekomprimovanog zvučnog zapisa od

74 i 80 minuta.

CD-R

CD-R (Compact Disc - Recordable) su diskovi na koje podatke mogu da upisuju i korisnici. Nastali su usled

prirodne potrebe korisnika da sami zapisuju podatke. CD-R tehnologija obuhvata sa jedne strane specijalne

uređaje koji imaju ulogu pisača a sa druge strane specijalne optičke diskove na kojima je moguće izvršiti

zapisivanje podataka u kućnim uslovima. CD-R diskovi takođe sadrže sloj od polikarbonatnog stakla na koji

se nanosi fotosenzitivni sloj. Na fotosenzitivni sloj se nanosi reflektivni sloj od srebra ili zlata. Na kraju se

nanosi zaštitni plastični sloj. Ovi diskovi su fabrički prazni sa pripremljenim stazama za pisanje. Proces

20

pisanja se vrši tako što se glava za pisanje kreće duž spiralne staze i emituje laserske zrake određene jačine.

Na mestu gde je fotosenzitivni sloj pogođen laserskim zrakom potrebne jačine dolazi do njegove hemijske

promene koja za posledicu ima znatno slabiju refleksiju. Kada čitač tokom čitanja pogodi laserskim zrakom

pomenuto mesto neće doći do refleksije pa samim tim ni do generisanja električnog impulsa u fotodetektoru

zbog čega možemo da kažemo da je to mesto sa digitalnim zapisom 0. Mesta na spiralnoj stazi kojima nije

promenjen hemijski sastav (koja nisu „spržena“) su nosioci digitalnog zapisa 1.

Kako se prilikom pisanja podataka na CD-R trajno menja hemijski sastav fotosenzitivnog sloja na diskove

ovog tipa je moguće zapisivati podatke samo jednom. Broj čitanja ovako zapisanih podataka je neograničen.

CD-RW

CD-RW (Compact Disc - ReWritable) su diskovi na kojima je moguće i pisanje i brisanje podataka. Ovi

diskovi u osnovi imaju sloj polikarbonatnog stakla sa urezanom spiralnom stazom. Na polikarbonatno staklo

se nanosi još 5 slojeva od kojih je najbitniji sloj za snimanje koji ima mogućnost fazne promene. Naime,

kada se ovaj sloj zagreje do određene temperature pa ohladi prelazi u kristalnu fazu koja se odlikuje velikom

refleksijom. Kada se zagreje do više tempreture i ohladi prelazi u amorfnu fazu koja ima vrlo nizak stepen

refleksije. S obzirom da je postupak čitanja isti kao i u slučaju CD-ROM i CD-R diskova očigledno je da

kristalna faza odgovara digitalnom zapisu 1, a amorfna faza digitalnom zapisu 0.

Zbog toga CR-RW snimač radi u 3 režima:

Režim za brisanje kojem odgovara veća jačina laserskih zraka neophodna za pretvaranje u amorfno

stanje,

Režim za snimanje kojem odgovara srednja jačina laserskih zraka neophodna za transformaciju u

kristalno stanje, i

Režim čitanja kojem odgovara najmanja jačina dovoljna za čitanje podataka.

DVD

Ubrzani razvoj digitalne tehnologije poslednjih 20 godina je za posledicu imao povećanje kvaliteta digitalnih

zapisa. Povećanje kvaliteta digitalnih zapisa se ogleda u mogućnosti kreiranja sve bogatijih, preciznijih i

sadržajnijih zapisa kao što su fajlovi, slike, video i audio zapisi itd. Tako na primer, poslednje generacije

digitalnih fotoaparata imaju senzore sa više od 10 mega piksela što omogućava visok kvalitet načinjene

fotografije. Međutim, visok kvalitet digitalnog zapisa zahteva i veći memorijski prostor za njihovo

skladištenje i čuvanje. Zbog toga se vrlo brzo javila potreba za memorijskim medijumima koji imaju veći

memorijski kapacitet. Kapacitet od 700 MB masovno korišćenih kompakt diskova se vrlo brzo pokazao kao

„siromašan“ za skladištenje uobičajenih korisničkih digitalnih zapisa. Zbog toga se 1996. godine kao

naslednik kompakt diska pojavio DVD (Digital Versatile Disk – digitalni višenamenski disk). Kategorizacija

je slična kao kod kompakt diskova što znači da možemo da razlikujemo DVD-ROM, DVD-R i DVD-RW.

Tehnologija izrade DVD diskova je slična tehnologiji izrade kompakt diskova ali je unapređena u cilju

povećanja memorijskog kapaciteta bez promene fizičkih dimenzija.

Povećanje memorijskog kapaciteta je postignuto povećavanjem gustine spiralnih staza. To znači da je

ukupna dužina spiralne staze duž koje se vrši zapis podataka znatno veća nego što je to slučaj kod kompakt

diskova. Drugo unapređenje predstavlja mogućnost zapisivanja podataka na dva sloja sa jedne strane ploče

za razliku od kompakt diskova gde se zapisivanje vrši samo na jednom sloju. Na taj način je dodatno

povećan kapacitet DVD diskova. Treće unapređenje je postignuto zamenom polikarbonatnog supstrata

(osnove) plastičnim supstratom. S obzirom da je debljina plastičnog supstrata duplo manja od debljine

polikarbonatnog supstrata moguće je spojiti dva diska. Na taj način se praktično duplira memorijski kapacitet

jer je moguće vršiti zapisivanje podataka na obe strane DVD diska.

U zavisnosti od primenjene tehnologije možemo da razlikujemo 4 vrste DVD diskova:

DVD – 5 jednostrani i jednoslojni DVD, kapacitet 4,7 GB

DVD – 9 jednostrani i dvoslojni DVD, kapacitet 8,5 GB

DVD – 10 dvostrani i jednoslojni DVD, kapacitet 9,4 GB

DVD – 18 dvostrani i dvoslojni DVD, kapacitet 17 GB

21

Zbog svega navedenog DVD diskovi imaju sve veću primenu i sve više zamenjuju kompakt diskove.

Blu-Ray disk

Blu-Ray disk (BD) je optički disk dizajniran da zameni DVD format. Složenica Blu-Ray ukazuje da ovaj

optički medijum koristi laser plave boje (eng. blue-ray – plavi zrak) koji ima manju talasnu dužinu nego

crveni laser, što omogućava da se informacije zapisuju na daleko većoj gustini nego što je to moguće sa

crvenim laserom primenjivanim u DVD tehnologiji. Ortografski ispravan naziv Blue-ray Disc je verovatno

promenjen da bi se lakše mogao registrovati kao robna marka. Blu-Ray disk je naslednik DVD diskova a

nastao je iz potrebe smeštanja HD zapisa (High Definition – visoka rezolucija) na memorijski medijum koji

su svojoj memorijskoj veličini značajno prevazilazili kapacitet tadašnjih DVD diskova. I tako dok je glavni

inicijator kreiranja CD diskova bila muzička produkcija, glavni inicijator kreiranja Blu-ray diskova je bila

filmska produkcija.

Po fizičkim karakteristikama Blu-Ray disk se ne razlikuju od DVD ili CD diskova. To je plastični disk

prečnika 120 mm, debljine 1,2 mm, dakle iste veličine kao i DVD odnosno CD diskovi. Konvencionalni Blu-

Ray diskovi imaju kapacitet 25 GB na jednom sloju, dok dvoslojni (Dual layer) imaju dva sloja sa po 25 GB

ukupno 50 GB kapaciteta. Trenutno, dvoslojni Blu-Ray diskovi predstavljaju standard za snimanje

dugometražnih video zapisa.

Glavna primena Blu-ray diskova je zapis video materijala kao što su igrani filmovi. Međutim, pored

hardverskih specifikacija ova nova tehnologija optičkih diskova je povezana i sa nizom potpuno novih

multimedijalnih formata. Suština je u tome da je zahvaljujuće većim kapacitetima moguće video i audio

zapise skladištiti sa mnogo većim definicijama nego što je to bilo moguće sa DVD tehnologijom.

Prvi Blu-Ray disk prototip je predstavljen u oktobru 2000, a prvi prototip čitač Blu-Ray diskova je

predstavljen 2003 godine u Japanu. Posle toga, ova tehnologija se intenzivno razvija sve do zvaničnog

puštanja u junu 2006. godine. Od juna 2011., više od 2500 filmskih naslova u Blu-Ray tehnologiji je bilo

dostupno u Australiji i Velikoj Britaniji i više od 3500 i SAD i Kanadi.

Magnetna traka

Memorisanje podataka na magnetnoj traci se danas vrlo retko primenjuje zbog dugotrajne, sekvencijalne

pretrage koja je glavni nedostatak, iako je jeftina i velikog kapaciteta. Princip izrade i rada je isti kao kod

muzičkih i video kaseta.

Fleš memorija

Fleš memorija je elektronska ne-naponska kompjuterska memorija koja se može elekronski pisati i brisati.

Fleš memoriju je konstruisao Dr Fudžio Masuka (Fujio Masouka) dok je radio u firmi Tošiba 1980. godine.

Naziv fleš memorija (eng. flash - bljesak) je sugerisao Masukin kolega inspirisan načinom brisanja podataka

koji podseća na bljesak (blic) fotoaparata. Dr Masuka i njegov kolega su predstavili svoj pronalazak na

medjunarodnoj konferenciji IEEE 1984 International Electronic Devices Meeting u San Francisku. Uvidevši

potencijal ovog pronalaska firma Intel je počela sa razvojem ovog tipa memorije i već 1988. godine

predstavila prvu komercijalnu fleš memoriju.

Fleš memorija je razvijena iz EEPROM memorije. Generalno, postoje dve vrste fleš memorije, nazvane

NAND i NOR fleš memorija.

Za razliku od klasične EPROM memorije koja mora biti u potpunosti obrisana da bi bilo moguće zapisati

nove podatke, NAND tip fleš memorije dozvoljava pisanje i čitanje memorijskih blokova koji su daleko

manji od memorije celog uredjaja. Sa druge strane NOR tip fleš memorije omogućava pisanje i čitanje

podataka u još manjim porcijama do nivoa jedne reči.

NAND tip memorije se prevashodno koristi za izradu trajne memorije (SSD diskove), memorijskih kartica,

USB fleš memorije, i njima sličnih proizvoda. NOR vrsta fleš memorije koja omogućava direktan pristup

22

podacima do nivoa jednog bajta. Trenutno, oba tipa fleš memorije imaju široku primenu u većini današnjih

digitalnih uređaja kao što su personalni računari, tablet računari, digitalni audio uređaji, digitalni fotoaparati,

mobilni telefoni, konzole za video igrice itd.

Pored činjenice da spadaju u ne-naponske memorije, fleš memorije imaju još prednosti. Brzina pristupa

podacima je veoma velika i uporediva sa brzinom pristupa koju ima dinamički RAM. Fleš memorija je

veoma otporna na mehaničke udare, otporna na visoke pritiske i temperature što je čini veoma pogodnom za

primenu u mernim uređajima koji se eksploatišu na otvorenom. Takođe, fleš memorije imaju mogućnost

višestrukog pisanja i brisanja što ih čini pogodnim za izradu hard diskova u tablet uređajima.

Memorijske kartice

Memorijske kartice su posebna vrsta fleš memorije koja se koristi kod digitalnih kamera i foto-aparata, PDA

uređaja, mobilnih telefona, itd. Vrste koje su upotrebi su: SD (mikro i mini), SDHC, CF, xD, MMC, Memory

Stick ProDuo M2 i dr. Kapaciteti su nekoliko desetina gigabajta. Svi laptop računari imaju čitač kartica za

ovu vrstu memorije. Jedan čitač može čitati različite vrste kartica.

Hijerarhija memorija

Piramida na slici 4.19. prikazuje hijerarhijsku uređenost memorija na osnovu kapaciteta, vremena pristupa i

cene gde se može uočiti neophodnost postojanja keš memorije u funkcionisanju računarskog sistema. Bez nje

postojao bi veliki jaz koji bi uslovljavao pad brzine rada računarskog sistema.

Slika 4.19. Podela memorija na osnovu kapaciteta, vremena pristupa i cene